Физики научились «стрелять из-за угла лазерными пулями»

Израильские физики разработали совершенно новый метод генерации изогнутых световых пучков -- пучков Эйри. Воспользовавшись методами нелинейной оптики, они смогли не просто загибать «лазерные пули» в нужном направлении, но и управлять расстоянием вдоль траектории, на котором световая энергия достигает максимального значения. Грубо говоря, израильтяне научились управлять «местом подрыва» этой пули.

Как стрелять лазером из-за угла

В однородной среде лучи света всегда распространяются по прямым линиям. По прямой передаются и энергия с импульсом. Откуда ж тогда берутся искривленные пучки, которыми при желании можно было бы освещать объекты, расположенные за углом?

Если в начальный момент состояние частицы задается так называемой функцией Эйри, то со временем максимум плотности вероятности -- то самое «местонахождение» -- начинает изменяться. Причем чем дальше, тем быстрее; общая форма функции при этом не меняется. С классической точки зрения кажется, что частица ускоряется, хотя на нее не действуют никакие силы. Это решение первыми описали еще новозеландец Эрнест Калнинс и американец Уиллард Миллер. Но они были математиками, а Берри и Балас наполнили решение физическим смыслом, заговорив о «самоускоряющихся» частицах. На деле правда ускоряется лишь главный максимум вероятности, а «центр массы» распределения, описываемого волновой функцией, в котором есть множество максимумов поменьше, остается недвижимым.

В 2007 году физики Деметрий Христодулидес, Георгий Сивилоглу и Аристид Догариу из Университета Центральной Флориды реализовали такой пучок на практике. Только не с массивной частицей, а со световой волной. Ее движение описывается аналогичным уравнением. И когда ученые создали волновой фронт в форме функции Эйри, получившийся пучок принялся «самоускоряться» в направлении, перпендикулярном распространению волны -- максимум плотности световой энергии начал двигаться по параболе. Правда, идеальный пучок Эйри обладает бесконечной энергией, так что пучок Христодулидеса являет собой некоторое приближение к идеалу: искривляться он искривляется, но его форма не сохраняется, и со временем луч постепенно расходится.

Кривой пинцет и плазменные пули

Как оказалось, у оптических пучков Эйри множество прекрасных качеств. Мало того что они почти не расходятся и сами по себе искривляются. Они еще и сами по себе восстанавливаются -- если на пути пучка Эйри окажется препятствие, которое поглотит его небольшую (но вполне макроскопическую) часть, то уже чуть дальше по движению волновой фронт почти полностью восстановит исходную форму. Так что пучки Эйри совсем не обязательно генерировать в вакуумных трубах; даже пыльный воздух вполне подойдет.

За последние два года появилось лишь около дюжины публикаций, посвященных оптическим пучкам Эйри. Однако ученые уже успели приспособить их для своих нужд. Например, профессор Кишан Дхолакия из шотландского Университета имени апостола Андрея научился передвигать крохотные частицы в растворе с помощью лазерных лучей в форме (приближенного) пучка Эйри. Освещая кювету таким «лазерным пинцетом», Дхолакия и его коллеги смогли перемещать частицы как им заблагорассудится. Ученые полагают, что уже скоро такие пинцеты пригодятся для сортировки живых клеток в лабораториях.

А наш соотечественник Павел Полынкин из Университета Аризоны, США, приспособил те же пучки для создания искривленных плазменных шнуров. При достаточно высокой концентрации световой энергии воздух на оси лазерного луча ионизуется. И если эта ось искривлена, то и плазменный шнур получается кривым. Для плазменной стрельбы за угол явление пока не приспособили, но для исследования самих шнуров оно очень полезно. Исследовательскую аппаратуру в шнур не засунешь, и условия внутри приходится изучать по его свечению. И когда шнур кривой, излучение от разных его участков разворачивается в целый «веер» света, так что для выделения интересующего фрагмента достаточно ограничиться одним «пером» этого веера.

Трудности в маске

Однако получать на практике приближенные пучки Эйри не так легко. Чтобы получить волновой фронт в виде функции Эйри, физикам приходится пропускать через линзу пучок света с фронтом в форме кубической параболы (с точки зрения волновой оптики обычная линза осуществляет преобразование Фурье от передней фокальной плоскости к задней, а функция Эйри как раз и является фурье-образом кубической параболы).

Чтобы сделать кубическую параболу, физики избирательно задерживают нужные куски волнового фронта с помощью крохотных масок, через которые пропускается свет. Эти маски весьма замысловатой структуры приходится отдельно изготавливать для каждой длины волны и желаемых свойств выходного пучка. Делается это по сложной технологии, так что Павел Полынкин, к примеру, признавался, что не имеет хорошего представления, как их делают, и каждый раз заказывает их на стороне.

Зеленый луч гармоники

Ученые из израильского Университета Тель-Авива под руководством Таля Элленбогена и Ади Арие создали новый метод создания пучков Эйри, воспользовавшись явлением генерации второй гармоники электромагнитного излучения в нелинейных кристаллах. Оптические свойства танталата лития заметно меняются под действием электрического и магнитного полей самой световой волны. При этом степень этих изменений зависит от значения не самой электрической или магнитной напряженности, а от ее квадрата.

Благодаря этому при прохождении через LiTaO₃ яркого луча света на выходе из кристалла к исходному лучу добавляется еще один луч вдвое большей частоты. Например, если облучать кристалл инфракрасным светом длиной волны 1064 нм (такой лазерный сигнал, невидимый глазом, выдает широко применяемый Nd:YAG-лазер), то на выходе появится яркий зеленый луч вдвое большей частоты (с длиной волны 532 нм). На ученом языке это называется нелинейной генерацией второй гармоники.

Элленбоген и его коллеги научились придавать волновому фронту этого дополнительного пучка форму кубической параболы, «нарисовав» кубические параболы в теле самого кристалла. В форме этих парабол ученые промодулировали нелинейную часть оптических свойств кристалла. Если теперь пропустить через кристалл яркий, так называемый опорный, луч лазера, сам кристалл начинает работать в качестве генератора света с частотой чуть большей или чуть меньшей, чем удвоенная частота опорного пучка (отличие зависит от шага, с которым внутри кристалла «нарисованы» параболы).

Чтобы превратить кубическую параболу этого пучка в функцию Эйри, достаточно теперь поставить на пути линзу, а чтобы избавиться от яркого (в инфракрасном диапазоне) опорного пучка -- фильтр, пропускающий лишь зеленый луч второй гармоники. Работа ученых принята к публикации в Nature Photonics.

Неканоническая настройка

На деле израильским ученым удалось сделать существенно больше, чем просто создать способ генерации пучков Эйри на недоступных прежде длинах волн. Изменяя условие согласования между длиной волны опорного лазера и масштабом внутреннего рисунка в танталате лития, можно создавать пучки, чуть отличающиеся от «канонического» пучка Эйри. А чтобы поменять условие рассогласования, достаточно чуть нагреть (или, наоборот, охладить) кристалл -- при этом он расширится (или сожмется). Менять частоту опорного лазера сложнее, так как достаточно мощных перестраиваемых лазеров пока нет.

Эти неканонические пучки оказались еще интереснее. Как показали Элленбоген и его коллеги, максимум плотности энергии в главном лепестке этого пучка может оказаться довольно далеко от его начала. В принципе, можно «настроить» температуру кристалла так, чтобы этот максимум оказался на нужном нам расстоянии от установки. И создавать «плазменные пули» там, где нам удобно, на безопасном расстоянии от измерительной аппаратуры. Правда, пока ученые еще не умеют генерировать высокие гармоники с интенсивностью, достаточной для ионизации воздуха.

Тем не менее для исследовательских целей новый метод будет очень полезен. «Мы уверены, что наша работа окажет существенное влияние на будущие приложения пучков Эйри», -- сказал Infox.ru Таль Элленбоген. Того же мнения придерживаются и физики, которые этими приложениями уже пользуются. Пока в исследовательских целях.